环境生态学视角下的地坑院窑洞营造及优化分析

2021-07-08刘富余王宇田炜令沈小玥

重庆建筑 2021年6期

刘富余，王宇，田炜令，沈小玥

（山东建筑大学建筑城规学院，山东济南 250101）

0 引言

随着钢筋混凝土的建筑逐渐蔓延到广大农村地区，人类的建筑活动已经与自然环境相背而行，绿色建筑理念的提出依然难以产生与自然环境同等效力的生态恢复作用，寻求适宜的生态建造与新时代绿色建筑的结合因而显得尤为重要。起源于黄土高原的地坑院窑洞作为“原始的生态建筑”，在当下遭到了被遗弃的境遇，但其因地制宜的构建措施、资源节约的生态理念以及遵从自然的和谐关系，为应对环境危机、能源消耗以及人与自然环境的可持续发展提供了更多的可能性。针对窑洞建筑空间环境、功能组织、能源供应、安全防护等方面进行适宜的现代化改造，不仅对生土建筑文化的保护与传承有着重要的借鉴作用，而且对提升窑洞民居生活宜居性、加快乡村现代化进程也有着重要的现实意义。

1 环境生态学与原生态建筑相关理论

1.1 环境生态学理论

环境生态学是生态学发展历程中的重要分支，是介于环境学与生态学之间的一门交叉学科，研究在人为参与和干扰效应下，生态系统内在的变化机理、内在规律和系统内不同组分之间的相互作用及对人类的反效应，并且寻求受损生态系统恢复、重建和保护对策的学科，即运用生态学理论，阐明人与环境间的相互作用及解决环境问题的生态途径[1]。因此，环境生态学与生态学、污染生态学、社会生态学等均有所不同，它关照的是环境质量治理和生态环境修复这两类物理环境问题。

1.2 原生态建筑

原生态建筑（Primary Ecological Architecture），是指经过漫长的人类历史演变，依然传承了建筑最原始的雏形，并且采用具有地域特色的地方材料，以生态的建造方式建造的传统民居建筑。地坑院窑洞建筑因其鲜明的地域特征和文化特色，无论在聚落格局、建筑形态、还是营造手段上都充满了原生态的建筑精神，蕴含着古人“原生态”的自然生态环境观[2]。

2 地坑院窑洞民居的营造特点

2.1 选址

地坑院窑洞一般位于较平坦的黄土高原和丘陵地带，这些地区一般地势较为平坦，没有可供挖掘的崖壁，所以就以下沉式窑洞为主。在建造窑洞之前，先请风水师选地、定方位、方向等，确定主次窑洞的位置。讲究阴阳平衡，体现了中国古老的风水学对民间建筑的影响，其选址因地制宜，适应环境（图1）。

图1 入口在东南方的五行与窑院布局关系

2.2 构建

地坑院窑洞通过向纵深方向挖掘土方，采用“减法”的方式开发地下空间，向下挖出深6～8m、长12～15m的长方形或者正方形土坑作为院落，再根据八卦方位在墙的四壁挖出若干个窑洞，作为不同功能的窑洞分区，其工序可以概括为：挖坑→剔壁（四壁垂直土崖面）→挖窑→剔窑→泥窑（抹墙）→砌筑前墙（土或砖墙）→安装门窗→铺贴地面。

2.3 布局

地坑院窑洞原始于穴居，经过历史演变，依然保留了穴居居住形态，即“建筑原始雏形”的布局形式。窑院采用沉于地下的合院形制，包括院落、主窑、客窑、牲畜窑、厕所等，这种对自然环境和地理条件的回应形式，充分融合到原始的地貌环境中，有着“见树不见村，见村不见房，闻声不见人”的特点[3]（图2）。

图2 地坑院布局

3 地坑院窑洞建筑营造中的环境生态观

3.1 因地制宜的环境适应性

黄土高原的自然地理气候很大程度决定了建筑的形式，降雨少、气候干燥、土质深层的杂质较少，建筑在纵深方向具有较好的发展潜力，穴居生存因此得来。窑院民居“负阴抱阳、背山面水、随坡就势”的选址原则就符合因地制宜的环境适应性[4]。沉于地下的地坑院窑洞是适应黄土高原地形地貌的完美形式之一，走进村里，只见郁郁葱葱的树木从窑院里伸出来，地坑院似乎从这个环境中生长出来，与自然环境融为一体，形成建筑与环境的和谐对话，反映出了窑院建筑形制遵从环境改造自然的营造方式，实现了自然环境的生态性[5]。

3.2 就地取材的资源利用

地坑院窑洞依靠黄土高原，所以使用的建筑材料是原生态的黄土，极少使用其他材料。挖掘出来的土经过其他工序的加工，可以做成土胚，用来砌筑院墙、土炕、烟囱等。这种生土材料取材方便、施工简单，还可以再使用，不会造成材料的浪费或者环境的污染。除了黄土外，还有烧制砖、白灰、麦秸草青瓦等本地绿色建材[6]，符合生态建筑和可持续发展的原则，是理想的生土建筑研究原型。

3.3 冬暖夏凉的低碳节能性

地坑院窑洞采用原生态的黄土作为建造材料，而黄土具有良好的蓄热性能，可以通过储热能力调节窑洞内的小气候。与普通房屋相比，地坑院窑洞的上部和后面均有黄土层覆盖，土层白天吸热，夜间向室内散热，冬季窑洞内的温度比普通平房高5℃左右，夏天室内温度比室外温度低3℃～5℃[7]。此外，下沉式的合院空间布局也会影响室内外的气候条件，所以无论在冬季还是夏天，在没有空调等设备的情况下，窑洞都可以利用建筑材料的特性使室内温度处于舒适状态，保持冬暖夏凉的特点。节约能源，是生土建筑的典型优势。

3.4 便捷简易的营建性

地坑院窑洞在建筑营造中采用减法原则，通过向下撅土创造空间，形成低于地平的合院形制。在人工挖掘建造过程中，不需要大量的人员和器械设备，一家一户就可以完成窑洞的挖掘工作。窑洞挖掘之后，将室内的墙面用秸秆和黏土抹平整，室内地面用水泥或者石灰整平，这种营造方式施工时间短、造价低廉，并且通过适当的维修窑洞就可以使用很长时间，对于经济条件并不富裕的黄土高原农村地区而言，既经济又适用。

3.5 绿色健康的生态性

地坑院窑洞因其原生态的建造方式，以及采用环保可循环的黄土材料，其本身不具有任何有害性。黄土密实度较高，窑洞上方的覆土层深厚，不仅可以阻止外界辐射进入室内，而且具有良好的隔音效果。再加上窑洞内冬暖夏凉的温度稳定性，使得外界对人们的生活影响降到最小，形成了一个“健康、舒适、无害”的室内空间。因其生态健康的适宜性，长期居住于窑洞中的人比居住于普通平房中的人平均增寿6岁，且患皮肤病、气喘病、风湿病等疾病的人明显较少[7]。

4 基于环境生态学的地坑院窑洞建筑改良策略

有着“地下住所，地上良田”之称的地坑院窑洞，体现出了原生态的营造理念，但也有着明显的缺陷和不足，包括潮湿阴暗、通风不畅等，在人们追求高质量居住环境的今天，改善窑内环境已然是“刚需”，基于环境生态学的基础提出改良措施，可为窑洞建筑的发展和延续提供更多的可能性。

4.1 增加采光，改善室内亮度

地坑院窑洞由于在地面以下建造，并且只有一个立面采光，造成室内照度的严重不足，通过研究总结，改善地坑院窑洞建筑室内采光的措施有：（1）增加立面开窗面积，前立面选择门头窗或者玻璃门帘，可以有效增加采光系数，达到1/8的采光比，改善自然采光的同时，还可以提高室内温度；（2）采用增加阳光间的形式，阳光间附建在房屋南侧，其围护结构全部或部分由玻璃等透光材料构成，与房间之间的公共墙上开有门、窗等孔洞，使得冬季的采暖更加有效，节省能源（图3）；（3）窑洞室内抹墙采用白色涂料，增加阳光在窑内的反射次数，可以明显改善室内的光线亮度；（4）传统窑洞内的布局方式一般为前厅后卧，通常用矮墙或者帷帘隔开，导致窑内后半部采光较差，可将隔断换作大面积的窗或者全玻璃隔断，使后卧得到间接采光；（5）在窑洞的后壁增设“采光井”，并将采光井从窑洞顶部伸出，获得采光，还可兼顾通风问题[8]（图4）。

图3 阳光间改善采暖

图4 采光井增加采光

4.2 改善通风，提高空气质量

地坑院窑洞由于只有一面开窗，不能形成穿堂风，室内空气未能充分交换。另外，因为居民在室内进行吃、住等多项活动，没有明确的分区，容易造成空气异味，所以改善室内通风应从两方面入手：（1）采用机械排风，加强室内外空气交换，或者利用烟囱效应使用横向、竖向通道连接到室外，形成空气对流（图5）；（2）使用隔断划分合理的室内功能空间分区，保证动静、洁污、干湿分区的分离。通过两种方式的结合，较好地改善了室内通风环境[8]。

图5 横向、竖向通道改善通风

4.3 除湿防潮，改变潮湿环境

地坑院窑洞的潮湿和渗透状况在夏季尤为明显，由于降雨较多，水分渗入土层到窑洞，造成雨水渗透。室外湿度较高的空气进入室内降温后，室内的水蒸气不能及时散发出去，导致室内潮湿严重。针对防渗防潮可以通过以下方式解决：（1）窑洞内墙壁抹面的草泥中可以添加白灰增加墙壁的密实度，再用素混凝土抹面或瓷砖贴面等，可以防止雨水渗透；（2）窑洞内地面可以用地板铺装，还可以通过做防潮防渗卷材等方式，减少地面土壤水分渗透；（3）传统窑洞顶部只做了夯实处理，在此基础上可以加设防水层或防水卷材，还可以通过在窑洞顶部找坡，水泥砂浆抹面（图6），另一种有效的方法是在窑洞顶部设置檐口和落水管，实现有组织排水，以及种植植物起到防渗防潮的作用[9]（图7）；（4）窑洞的立面墙上可以采用饰砖贴面，减少雨水冲刷；（5）室内还可以通过采用机械排风，使得室内空气流通，避免室内墙壁结露；（6）使用吸湿剂除湿防潮。

图6 窑洞种植植物示意图

图7 窑顶种植屋面示意图

4.4 防止塌陷，预防自然灾害

因为黄土土质疏松，加上暴雨冲击，造成水分下渗到窑洞墙体形成裂缝，有可能造成窑洞建筑的坍塌，所以预防窑洞坍塌的方法就要从加固做起，主要方式有：（1）采用钢筋混凝土与传统土窑拱形结构结合的方式，既能保留窑洞特色，又可以加强窑洞的稳定性（图8）；（2）窑洞内部拱顶用砖石砌筑，形成坚固的拱券结构[9]；（3）相比其他窑洞，地坑院窑洞的使用年限较少，所以要经常修修补补，预防坍塌。

图8 窑洞结构加固示意图

4.5 除旧迎新，新型能源的利用

窑洞内的“炕”与灶台都需要燃烧秸秆、树枝等传统燃料，不仅需求量大，还会造成植被破坏。窑洞地区可采用的新能源有：（1）沼气池，建造在厕所和牲圈旁边，用粪便和农作物的秸秆为原材料，不仅干净卫生，还有利于生态环保；（2）太阳能，安装太阳能热水器，采用阳光间、窑顶太阳能光伏板等形式的太阳能利用方式（图9），可以调节窑洞建筑的耗能结构，达到新旧结合[10]。